빅뱅 이론

바람 빠진 풍선 위에 매직으로 여러 개의 점을 콕콕 찍은 뒤 바람을 불어 넣는 모습을 상상해 보세요. 풍선이 커질수록 점과 점 사이의 거리가 점점 멀어져요. 점들이 스스로 발이 달려서 걸어가는 게 아니라, 풍선 고무 표면 자체가 늘어나기 때문이에요.

우리 우주도 이 풍선 표면과 똑같아요. 은하들이 우주 공간 속을 헤엄쳐 멀어지는 것이 아니라, 은하들이 놓여 있는 공간 자체가 사방으로 늘어나고 있어요. 이렇게 팽창하는 우주의 역사를 설명하는 이론이 바로 빅뱅 이론이에요.

약 138억 년 전, 우주는 상상할 수 없을 만큼 뜨겁고 빽빽한 상태였어요. 지금 우리가 관측할 수 있는 우주 전체가 아주 작은 영역에 압축되어 있었죠. 이 상태에서 공간이 빠르게 커지기 시작하면서 지금 우리가 아는 우주의 역사가 출발했어요.

우주가 정말 뜨겁고 빽빽한 상태에서 커졌는지 어떻게 알 수 있을까요? 천문학자들은 멀리 있는 은하를 관측하다가 놀라운 사실을 발견했어요. 지구에서 멀리 떨어진 은하일수록 우리에게서 더 빠른 속도로 멀어지고 있었던 거예요. 이것을 허블-르메트르 법칙이라고 불러요.

필름을 거꾸로 돌리면 은하들이 과거로 갈수록 서로 가까워져 우주가 더 빽빽했어야 한다는 결론에 자연스럽게 도달해요. 이것이 팽창의 첫 번째 증거예요.

두 번째 결정적 증거는 초기 우주가 남긴 빛의 메아리예요. 아주 뜨거웠던 초기 우주의 빛이 우주가 팽창하면서 점차 식어, 지금은 미세한 전파 형태로 우주 전체를 가득 채우고 있어요. 이를 우주배경복사(빅뱅 약 38만 년 뒤 풀려난 빛)라고 불러요. 예전 아날로그 TV의 지지직거리는 잡음 가운데 아주 작은 일부가 바로 이 우주배경복사였어요.

'빅뱅(Big Bang)'이라는 이름을 들으면 흔히 깜깜한 빈 방 한가운데서 시한폭탄이 '쾅' 터지는 장면을 떠올리기 쉬워요. 하지만 조금 더 정확히 말하면, 빅뱅은 이미 존재하는 텅 빈 공간 속에서 물질이 흩어진 사건이 아니에요.

빅뱅은 우주 어디에서나 동시에 공간 자체가 늘어난 사건이에요. 우주 바깥에서 구경할 수 있는 관객석 같은 공간이 따로 있는 게 아니죠. 일반상대성이론으로 시간을 거꾸로 거슬러 올라가면 시공간이 시작되는 것처럼 보이지만, 그 순간과 그 이전에 무엇이 있었는지는 아직 과학이 답하지 못한 질문이에요.

초기 우주는 너무나 뜨거워서 원자핵조차 온전히 뭉쳐 있을 수 없었어요. 처음 몇 분 사이 온도가 내려가며 수소와 헬륨 같은 가장 가벼운 원소의 원자핵이 만들어졌어요. 약 38만 년 뒤 더 식어 전자가 원자핵에 붙잡혀 원자가 생기면서 빛이 자유롭게 퍼져 나갔고, 이 빛이 바로 우주배경복사예요. 지금 우주에 질량 기준으로 수소와 헬륨이 약 3대 1의 비율로 가득 차 있는 것도 이 초기 우주의 온도가 남긴 중요한 증거랍니다.